核電廠設計基準風速確定中幾個問題的探討

，，，，，?

（1．環境保護部核與輻射安全中心，北京100082；2．中國核電工程有限公司，北京，100840）

核電廠設計基準風速確定中幾個問題的探討

王璐1，朱好2，楊宇1，路雨1，紀忠華1，?

（1．環境保護部核與輻射安全中心，北京100082；2．中國核電工程有限公司，北京，100840）

本文以廣東某核電廠設計基準風速的確定過程為例，通過對不確定因素的深入分析以及校核計算的驗證，探討了設計基準風速確定過程中值得注意的幾個常見問題。根據法規對確定核電廠設計基準的相關要求，本文對核電廠設計基準風速確定過程中不確定因素的處理提出了建議，并討論了相應的取值原則。

核電廠；設計基準風速；特大值；不確定因素

氣象特征是核電廠廠址特征的重要組成部分［1］，其中強風的破壞作用是核電廠安全相關構筑物設計中必須考慮的因素之一［2，3］。核安全相關的構筑物的結構設計中，需要按照相關規范的要求，考慮各種荷載效應的組合工況進行正常使用極限狀態和承載力極限狀態的分析驗算，基本風壓荷載作為一種嚴重環境荷載參與其中多種工況的組合［4，5］。設計基準風速作為基本風壓的直接決定因素，其評價結果的準確性是核安全審評中關注的重點。

l 概述

我國的核安全導則 《核電廠廠址選擇的極端氣象事件 （不包括熱帶氣旋）》（HAD101／10）［6］對設計基準風速的確定和評價做出了詳細的規定，主要分為以下四個步驟：（1）數據收集：收集廠址區域內具有連續記錄裝置的氣象站的風速記錄，并進行平均時間和統一高度的歸一化處理；（2）數據組選擇：將廠址的數據和該區域諸氣象站的數據進行比較，選定其中的一個氣象站作為廠址的代表性氣象站，該氣象站最好有30年或更長期氣候時期的數據組；（3）統計分析：選擇適合于數據組的統計分布函數；（4）設計基準值的確定：經過統計分析，外推某一平均再現間隔 （重現期）值及其置信區間，經綜合考慮確定其設計基準值。

設計基準風速評價結果的準確性受到許多因素的影響。比如，收集的歷史數據是否完整、觀測場地周邊是否受到過非自然因素的影響；所選取的氣象站能否代表廠址的情況；選擇的統計分布函數是否合理等。其中，廠址風速替代性資料的使用是否能夠合理地反映廠址地區的特征是審評中關注的問題之一。由于核電廠多選擇在人口稀少的濱海地區，其周邊常常無法找到能完全代表廠址氣象特征且有長期觀測記錄的氣象站，所以，需要將廠址周邊比較有代表性的氣象站的資料經過合理地換算到廠址進行使用。HAD101／10［6］中規定：“在不可能選定一個有代表性的氣象站時，應當由有經驗的氣象專家在考慮到廠址特性的情況下，從比較有代表性的氣象站得到的數據作保守的推斷”。顯然，在這一過程中存在一定的不確定性。因而在核安全審評中，審評者通常會要求申請者對這一不確定性進行適當評估。

美國核管會頒布的 《標準審查大綱》（NUREG-0800）［7］中明確規定，將百年重現期3 s陣風風速用于確定核電廠構筑物風荷載。在我國的核電廠設計中，也要求至少采用百年一遇極大風速 （3 s陣風風速）作為核電廠設計基準風速［8］。

本文將以廣東某核電廠為例，探討核電廠設計基準風速確定中的不確定因素處理方法及取值原則。

2 資料與方法

2.l風速資料

某核電廠位于廣東省沿海，廠址區背山面海，無長期的氣象觀測站。廠址周邊有陸豐氣象站、汕尾氣象站、遮浪海洋站等。陸豐氣象站與廠址距離為28 km，屬于國家基本站。汕尾氣象站距離廠址約45 km，屬于國家基本站。遮浪海洋站位于廠址西南約27 km。1962年開始觀測波浪。氣象觀測項目包括風速、風向、氣溫、氣壓等參數。由于陸豐氣象站位置距離海邊較遠，考慮到替代資料的代表性，在確定設計基準風速時主要參考了汕尾氣象站 （見表1）和遮浪海洋站（見表2）的觀測資料。

表l 汕尾氣象站l953～2008歷年最大風速 （m·s-l）Table l Annual maximum wind speeds in Shanwei Station during l953～2008（m·s-l）

表2 遮浪站l965～2009歷年最大風速 （m·s-l）Table 2 Annual maximum wind speeds in Zhelang Station during l965～2009（m·s-l）

2.2 計算方法

一般來說，在進行核電廠設計時，會采取至少兩種統計分布函數對某一平均再現間隔的氣象參數進行估算。我國普遍采用極值I型 （又稱Gumbel型）分布和皮爾遜III型 （P-III型）分布進行核電廠設計基準風速取值的估算［9］。

2．2．1 Gumbel型分布

Gumbel型分布是極端風速、極端溫度等氣象要素推斷中廣泛使用的方法。其概率密度函數為

其中，a＞0為分布的尺度參數，u為分布的位置參數。

2．2．2 Pearson-III型分布

Pearson-III型分布對隨機變量具有廣泛的概括和模擬能力，在氣象、水文上均有廣泛應用［10］。其概率密度函數為

其中，α、β、α0為參數，Γ（α）是α的伽瑪函數。三個參數可分別用下式計算：

3 設計單位擬采用的兩種思路

3.l思路一

根據汕尾氣象站1953～2008年（見表1），遮浪海洋站1965～2009年（見表2）10 m高度10 min平均最大風速資料，利用Gumbel和P-III型分布函數進行頻率計算，遮浪海洋站的計算成果顯著大于利用汕尾氣象站的計算成果（見表3）。根據廠址觀測站與遮浪海洋站同期最大風速的對比（見表4），遮浪海洋站的風速絕大多數高于廠址觀測站，直接移用遮浪海洋站的成果作為廠址百年一遇最大風速，取值為49．4 m·s-1。

通過表2不難發現，遮浪海洋站最大風速計算成果并未包絡其歷史上的最大值，即其百年一遇最大風速49．4 m/·s-1小于其序列中的極值53．9 m·s-1。

表3 汕尾站、遮浪站l0m高度最大風速計算成果（m·s-l）Table 3 Results of maximum wind speeds at l0m height in Shanwei and Zhelang Stations（m·s-l）

表4 遮浪站與廠址站同期最大風速比值（2008.ll-20l2.0l）Table 4 The ratio of maximum wind speeds in Zhelang station to those in on-site station during the same period（2008.ll-20l2.0l）

3.2 思路二

考慮直接將歷史極值53．9 m·s-1作為遮浪站百年一遇最大風速成果。根據遮浪和廠址的最大風速同期資料對比，遮浪站風速明顯大于廠址，遮浪站歷史最大風速53．9 m·s-1訂正到廠址20m高度處為49．4 m·s-1（廠址站早期10m高度風速受稀疏樹林影響，采用20m高度風速與遮浪站進行比較），根據換算關系（粗糙度指數b0值采用0．16）計算得到廠址10 m高度最大風速44．2 m·s-1。

4 存在的問題

4.l歷史特大值

遮浪海洋站最大風速計算成果并未包絡其歷史上的最大值，即其百年一遇最大風速成果49．4 m·s-1小于其序列中的極值53．9 m·s-1。《核電廠工程氣象技術規范》［8］中指出：“對歷史特大風應進行調查和考證，分析產生大風的背景”。對于核電廠這種對安全有著高度要求的設施來說，并不能簡單的將其視為離散于頻率曲線之外的一個數字，應當仔細分析該記錄的真實性和可靠性，及其可能對設計基準產生的影響。

經過調查，遮浪海洋站記錄到的、廠址區域歷史上最強的這次強風天氣過程出現在1979年8月2日，由7908號強臺風“荷貝”（HOPE）造成。該臺風于1979年7月29日在西太平洋形成，基本穩定向西北偏西方向移動，于8月2日下午在深圳登陸，該臺風強度大、移速快、破壞性大、影響范圍廣，波及深圳、汕頭、惠陽、佛山、肇慶5個地區、37縣（市），使沿海許多地方遭到12級以上大風的襲擊。在該次臺風過程中，汕尾氣象站記錄到10min平均最大風速為43．7 m·s-1，遮浪海洋站為53．9 m·s-1。從表1中也可以看出，這次臺風不僅創造了遮浪海洋站的“風速之最”，同時創造了汕尾氣象站的“風速之最”。

既然該特大值記錄是真實可靠的，那么，在進行設計基準風速取值時應該完全依賴計算結果還是應該進行更保守的考慮？根據計算經驗，長序列風速按降序排列的年大風序列中前3個值對50年一遇風速值的大小起著決定性影響［11］。雖然“荷貝”造成了廠址地區年最大風速，但由于其遠高于排在第二位的風速，在繪制Gumbel頻率曲線或P-III頻率曲線時，該記錄點對50年及更長重現期的極值作用是比較小的。可想而知，如果再出現1到2個排名前3位的強風樣本，計算結果將有大幅提高。

經過增補2010年至2013年遮浪海洋站的年最大風速成果（見表5），本文采用Gumbel（如圖1所示）和P-III型（如圖2所示）頻率曲線進行了復核計算，得到加入增補記錄后的最大風速成果（表6）。通過對比表3和表6的相應數值可以發現，兩種方法得到的成果均有所提高（表6）。同樣采用矩法進行的P-III頻率計算中，百年一遇的最大風速由49．4 m·s-1提高至51．8m·s-1。通過圖1和圖2，我們不難發現，計算成果的提高很大程度上是由新增的48．6 m·s-1的記錄值造成的。經調查，該大風記錄是由2013年“天兔”臺風過境造成的。天兔臺風于2013年9月22日在廣東省汕尾沿海登陸，登陸時中心氣壓為935 hPa，汕尾氣象站的測風儀在臺風登陸前被風摧毀，沒有記錄到本次臺風的最大風速。汕尾海洋站記錄到10 m高10 min最大風速為25．5 m·s-1，極大風速為42．2 m·s-1；遮浪海洋站記錄到10 m高10 min最大風速為48．6 m·s-1，極大風速60．6 m·s-1。2013年年極端風速記錄在遮浪海洋站的風速歷史記錄中排在第2位，并且已非常接近極值統計方法得到的成果49．4 m·s-1。雖然“天兔”造成大風的記錄和“荷貝”造成的大風記錄都離散于頻率曲線之外，但增補了“天兔”臺風資料后，不論哪種方法計算的成果都有所提高。

可見，對我國東南沿海等氣象災害頻發地區，如果直接采用極值統計結果而不考慮廠址處已出現過的特大值，得到的結果是不具備保守性的。

表5 遮浪海洋站年最大風速（20l0～20l3）（m·s-l）Table 5 Annual maximum wind speeds in Zhelang station（20l0～20l3）（m·s-l）

圖l Gumbel型分布函數擬合遮浪站最大風速結果Fig.l Diagram for maximum wind speeds in Zhelang Station，fitted by Gumbel distribution function

圖2 Pearson-III型分布函數擬合遮浪站最大風速結果Fig.2 Diagram for maximum wind speeds in Zhelang Station，fitted by Pearson-III distribution function

表6 遮浪站最大風速計算成果（m·s-l）Table 6 Results for maximum wind speeds in Zhelang Station（m·s-l）

如何合理保守地考慮設計基準風速取值呢？本文采用目估適線法對P-III頻率曲線進行了調整（圖2中淺灰線），結果顯示，如果曲線去迎合序列中的最大的兩個樣本，勢必會遠離序列中排名3～5位的數個樣本，得到的成果為五十年一遇最大風速52．4 m·s-1，百年一遇最大風速58．2 m·s-1。相應的極大風速分別為77．0 m·s-1和85．6 m·s-1。這個成果比原設計基準提高很多。而且，采用目估法進行適線時，隨意性較大，客觀性差。可見，評價中如果一味迎合最大值，可能造成結果過于保守，從而增加不必要的工程成本。

按照核安全法規的相關要求，在確定核電廠設計基準時應貫徹合理偏保守的原則。本文認為當出現實測值高于百年一遇最大風速估算值時，設計基準風速成果應至少包絡實測最大值。對本工程來說，設計基準風速取值不應小于實測特大值53．9 m·s-1對應的極大風速79．2 m·s-1。

4.2 代表性氣象站資料的移用

對于設計單位的第二思路，本文認為并不符合核安全導則HAD101/10中關于代表性氣象站資料使用的相關說明，其估算過程也不能體現保守性。HAD101/10中規定：“在不可能選定一個有代表性的氣象站時，應當由有經驗的氣象專家在考慮到廠址的物理特性的情況下，從比較有代表性的氣象站得到的數據作保守的推斷”。首先，雖然廠址站20 m高度風速和遮浪站10 m高度風速的同期數據對比的平均結果顯示前者小于后者，但也有部分樣本顯示前者大于后者。設計單位選擇樣本的平均比值0．916將遮浪站10 m高度風速樣本換算到廠址站20 m高度。而在2008．11～2012．01的34組同期樣本中，有13組樣本的比值大于0．916，最大的一組比值達到1．15，與均值的偏差達到25%。可見采用比值0．916將遮浪站風速“折減”至廠址20 m高度處并不符合“保守”的原則。其次，我國《建筑結構荷載規范》［12］及國際相關規范［13］對海岸帶的粗糙度指數b0的推薦取值均不大于0．12，設計單位利用粗糙度指數0．16由廠址20 m高度的風速推算10 m高度風速，勢必會將10 m高度風速的取值進一步減小。綜合上述原因，本文認為將遮浪站的風速資料通過平均比值“折減”至廠址的處理方法并不適宜。對本工程來說，本文認為直接使用該氣候區域內同期資料普遍高于廠址的遮浪站的風速序列作為廠址處的風速樣本是合適的。

5 對核電廠設計基準風速取值原則的思考

5.l偏保守取值，留有安全裕度

核電廠是對建、構筑物安全有著高度要求的設施，確定合理偏保守的設計基準是必要的。在防護可能的極端自然事件影響方面，日本福島核事故提供了經驗與教訓。人們更加清晰的認識到比＂可能最大＂更大的自然災害是存在的，即存在發生超過設計基準的外部事件的可能性［14］。在確定核電廠設計基準過程中，要考慮可能存在的不確定性，留有適當的安全裕度，這是合理確定設計基準所必需要考慮的問題，也是核安全法規的基本要求。

安全裕度并不意味著將設計基準無限提高，而是要在對廠址自然條件充分認識的情況下，對各估算環節進行偏保守的取值。其目的是使最終的設計基準在可以預見的歷史時期內滿足核電廠安全的需要。目前核電廠的壽期大約為40至60年，還要考慮延壽的可能性，因此，要保證其在建設期間、運行期間及退役期間的安全，就要在確定設計基準時以發展的、長遠的眼光看待問題，考慮氣候變化趨勢，在確定設計基準參數或事件時留有安全裕度。這就要求我們在進行設計基準估算時，不能只從數學方法的客觀性上考慮問題，還要充分考慮區域內極端事件發生的實際情況以及所確定的設計基準的合理性，進行合理、偏保守的估計。

5.2 包絡已發生的極端事件

如果說“荷貝”造成的特大值還讓我們對該極端事件的重現期有所顧慮，那么“天兔”＂的出現無疑讓我們重新審視利用概率方法估算外部事件設計基準的保守性。利用概率論法估算外部自然事件的設計基準，一個很關鍵的因素就是樣本數量。一般來說，對于同一個平均再現時間間隔的成果，樣本序列越長，得到的成果越可靠。而我們實際工作中，往往要用30年的歷史資料外推百年重現期，甚至千年重現期的成果，這就要求我們在確定各項設計基準，特別是外部自然事件的設計基準時不僅要通過客觀的數學計算，更要全面而充分的考慮廠址區域實際發生過的極端自然事件。對于核電廠設計基準風速取值來說，應至少包絡實測風速最大值對應的3 s陣風風速。

5.3 重視新增極端事件，及時復核設計基準

在全球氣候變化的背景下，影響我國的極端氣象事件頻率和強度也將有所變化。例如，已有研究表明未來西北太平洋的強臺風和超強臺風的爆發頻率有升高的趨勢［15］。營運單位應隨時關注影響廠址的極端氣象事件，當廠址區域新增了強度較大的（位于樣本序列前列的）極端事件后，相關營運單位應及時開展調查，復核設計基準成果。如復核成果高于原成果，應對電廠內相關設備和構筑物抵御極端自然災害的能力進行校核。如有必要，須及時升級應急預案，并采取相應改進措施，以保證核電廠運行安全。對于該廠址的新建機組，則應采用新的、更為保守的設計基準進行設計。

［1］國家核安全局．HAF101核電廠廠址選擇安全規定［S］．北京：國家核安全局，1991．

［2］國家核安全局．HAF102核動力廠設計安全規定［S］．北京：國家核安全局，2004．

［3］張天祝．核電廠設計基準風速若干問題的探討［J］．核安全，2004（3）：32-34．

［4］國家能源局．NB/T 20105核電廠廠房設計荷載規范［S］．北京：國家能源局，2012．

［5］國家能源局．NB/T 20012壓水堆核電廠核安全有關的混凝土結構設計要求［S］．2010．

［6］國家核安全局．HAD101/10核電廠廠址選擇的極端氣象事件（不包括熱帶氣旋）［S］．北京：中國法制出版社，1991．

［7］US NRC．Standard Review Plan（NUREG-0800）［S］．Washington DC：U．S．Nuclear Regulatory Commission，2007．

［8］中國電力企業聯合會．GB/T 50674-2013核電廠工程氣象技術規范［S］．北京：中國計劃出版社，2013．

［9］姜海梅，劉新建，邱林，等．極值分布函數在核電廠設計基準氣象參數中的應用［J］．輻射防護，2014，34（4）：224 -233．

［10］胡毅，李萍，楊建功，等．應用氣象學（第二版）［M］．北京：氣象出版社，2005．

［11］高梓淇，張秀芝，孫即霖．五十年一遇最大風速計算方法比較［J］．風能，2014（4）：70-75．

［12］中華人民共和國住房和城鄉建設部．GB50009-2012建筑結構荷載規范［S］．北京：中國建筑工業出版社，2012．

［13］李興凱，王堯，丘海珊．國際電力工程中不同標準的設計風速計算方法［J］．電力建設，2012，33（8）：44-48．

［14］潘蓉，孫鋒，張慶華．核安全監管中關于構筑物安全的3個問題討論［J］．核安全，2013，12（A01）：81-87．

［15］IPCC．Climate Change 2013-the Physical Science Basis［M］．Cambridge，United Kingdom：Cambridge University Press，2013：124．

The Discussion of Several Problems in Evaluation of Design Basis Wind Speeds of Nuclear Power Plants

Wang Lu1，Zhu Hao2，Yang Yu1，Lu Yu1，Ji Zhonghua1
（1．Nuclear and Radiation Safety Center，Beijing，China；2．China Nuclear Power Engineering Co．，Ltd．，Beijing，China）

By the example of the design basis value of wind speeds for a nuclear power plant in Guangdong Province，through the uncertainties analysisand calculation verification，several problems deserving attention during the evaluationprocess of design basis wind speed value are discussed．In accordance with the regulatory requirements ofthe evaluationof nuclear power plant design basis，suggestion of uncertainty handlingduring the evaluation of nuclear power plant design basis wind speedsare made，and the principles during this processare discussed．

Nuclear Power Plants；Design Basis Wind Speeds；Extraordinary Value；uncertain factor

P49

：A

：1672-5360（2016）04-0089-06

2016-09-02

2016-10-13

科技部國家軟科學研究計劃，項目編號2013GXS4B075；環保部公益性行業科研專項，項目編號201309056；環保部核與輻射安全中心青年科技工作者基金

王 璐 （1982—），女，山東青島人，高級工程師／博士，現主要從事核設施廠址氣象特征及危險性評價研究工作

?通訊作者：紀忠華，E-mail：jizhonghua＠chinansc．cn